基于物聯網的獼猴桃質量安全控制系統的設計與實現

蔡杰 楊立新 劉艷芳

摘要：將物聯網、大數據等信息技術應用于獼猴桃（Actinidia chinensis）生產是產業發展的必然趨勢，智慧生產模式與傳統方式相比，具有節本、增效、精準、環保等優勢。針對獼猴桃智慧生產模式設計了基于物聯網的獼猴桃質量安全控制系統，對系統功能進行了詳細分析，為實現獼猴桃智慧生產模式提供了新思路。

關鍵詞：獼猴桃（Actinidia chinensis）;物聯網;質量安全

中圖分類號：S663.4;TP277? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）18-0123-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.18.025 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design and implementation of kiwifruit quality and safety control

system based on internet of things

CAI Jie，YANG Li-xin，LIU Yan-fang

（Hubei Academy of Scientific and Technical Information，Wuhan? 430071， China）

Abstract： The application of internet of things， big data and other information technologies in kiwifruit production was an inevitable trend of industrial development. Compared with the traditional mode， the intelligent production mode has many advantages such as cost saving， efficiency increasing， precision and environmental protection. the kiwifruit quality and safety control system based on the Internet of things was designed for the kiwifruit intelligent production mode， and the system functions were analyzed in detail， which provided a new idea for the realization of kiwifruit intelligent production mode.

Key words： kiwifruit（Actinidia chinensis）; internet of things; quality safety

湖北省是世界獼猴桃（Actinidia chinensis）商業栽培種的原產中心，獼猴桃資源收集、評價和種質創新等方面的研究水平處于全國領先[1]。湖北省獼猴桃種植面積占全國獼猴桃栽培面積近10%，是中國獼猴桃的主產區，但其品種結構、生產管理水平等相對于陜西、四川等獼猴桃產業大省仍存在一定差距[2，3]。隨著獼猴桃產業技術發展和消費能力增加，獼猴桃產業發展日益壯大，但受制于農村勞動力稀缺、生產管理技術繁雜等因素，產業發展受到阻礙。智慧農業技術能很好地解決上述問題，實現獼猴桃生產的標準化、精準化、高效化，是獼猴桃產業發展的必然趨勢。

1 國內外農業物聯網技術研究現狀

目前，農業物聯網技術在世界各國建設發展如火如荼，部分農業發達國家的智慧農業水平處于世界領先，并在精準生產管理、節約人力物力資本、提高產能和質量方面成效顯著。其中，美國、歐盟、日本等發達國家和地區在物聯網發展過程中非常注重基礎技術和標準建設，其物聯網技術與產業發展走在世界前列。在物聯網技術所涉及的感知層技術、網絡層技術、應用層技術和共性支撐技術等4個關鍵技術層次的15個技術分支中，這些國家在物聯網傳感器領域的市場占有率達到63.0%，掌控著市場主導權。日本政府也非常重視農業物聯網在農戶中的推廣應用，為解決農業勞動力不足和老齡化問題，投入巨大的資金扶持，使50%以上的農戶選擇使用物聯網技術，其農業科技成果轉化率高達75%以上[4-6]。

近年來，中國農業物聯網技術的研究和應用也初見成效，在大田作物生產方面，已經發展了種植水稻、玉米、棉花、小麥、果樹、菌類等大田作物的農業物聯網系統管理模式，初步形成了包括場地環境信息快速獲取、作物生長監控、農田變量施肥、精準灌溉、遠程診斷、產量預測和智能裝備等應用技術，構建了包括土壤墑情監測、病蟲害防控與智能灌溉及育苗、種植、采收、倉儲等全過程的物聯網系統。在農產品質量管理方面，已形成了產地農產品信息實時采集和認證數據平臺，開發了便攜式質量全程跟蹤與溯源終端產品，構建了農產品物流信息管理和電子交易信息管理平臺。然而，中國物聯網技術的研究和應用與發達國家仍然存在較大差距，尤其在數據傳感傳輸、組網技術、系統集成融合技術等方面缺乏穩定性、精準度和統一的技術標準與指導規范，且存在各地區各行業標準不一致、標準與實際情況脫節等問題，這不僅影響了農業物聯網效能的充分發揮，也導致了農業物聯網建設資金的浪費[7，8]。

2 基于物聯網的獼猴桃質量安全控制系統設計

該系統利用田間傳感器及視頻監控設備，實時獲取獼猴桃生長數據上傳至云平臺，通過大數據決策模型結合專家經驗，實現獼猴桃生產過程的動態化感知、最優化控制、智能化管理、系統化物流以及產品的可追溯，進而實現農業集約、高產、優質、高效、生態和安全的目標，這也是解決當前獼猴桃產業發展面臨的瓶頸的主要出路。基于物聯網的獼猴桃質量安全控制系統功能模塊如圖1所示。

2.1 基于物聯網技術的生產過程信息融合

①接入管理。獼猴桃種植園區規模龐大，需要鋪設多個網關提供數據接入。網關數據報送到云端或云端數據傳輸到網關時，必須給予授權，杜絕非法網關接入影響系統安全和數據一致性。網關接入該系統時，必須攜帶網關id和token。

②設備管理。提供設備創建、設備訪問，實現數據采集和數據服務（實時數據、歷史數據）。

③環境監控設備。空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、降水、風速、土壤墑情、植物長勢及養分監測。

④控制設備。水肥藥一體化智能施肥機、植物燈系統、智能控制器

⑤視頻監控。在獼猴桃種植園區安裝槍機、球機等高清監控攝像機，實現對箱體、植株、現場的實時監控。具有權限的用戶、專家可通過手機或PC等控制終端遠程查看、云臺控制、錄像、回放、抓拍等（圖2）。

同時，設備數據、視頻監控數據也是該系統中溯源記錄的一部分，可以在大屏幕上展示各基地物聯網設備采集上傳的基地視頻監控數據、植物長勢、氣象數據以及土壤數據。物聯網數據每次采集數據量小、頻次高，故Lora網關收集后采用專用的物聯網MQTT協議報送到云端。傳感器、PLC采用手拉手方式連接。視頻組網則采用支持POE供電及ONVIF協議的高清攝像頭，通過RTP/RTSP流傳送，可使用在4G或WIFI環境（圖3）。

2.2 基于大數據技術的獼猴桃智能生產管理

通過Hadoop集群存儲海量生長過程中數據，并對數據進行清洗和分析，同時采用Apache Spark作為大數據處理計算引擎，通過機器學習進行數據決策。分析一定周期的采集數據、視頻數據、工作日志，判斷生長趨勢、品質趨勢，并提供決策模型，如水肥一體系統、植物燈系統的啟動策略，并下發到邊緣控制模塊，在適合一定規則下自動或手動啟用控制系統。

①水肥藥決策分析。疊加設備采集的環境數據和植物長勢信息，預測并分析獼猴桃種植區水肥藥需求，據此設置系統報警策略、控制策略，并實時調整控制策略，實現反饋控制。

②病蟲害分析。指定周期的視頻記錄及疊加設備采集的環境數據，預測并分析病蟲害及趨勢，并據此設置系統報警策略、控制策略。

③品質分析。影響獼猴桃的品質主要是根、莖、葉、花、果，系統可自動統計一段時間采集的數據，分析如葉片厚度密度、光照度、土壤養分等，預測并評估品質系數，從而制定控制策略。

④控制決策。根據病蟲害及品質分析結果，結合設備屬性，制定自動控制及手動控制策略。其中，自動控制條件包括某設備的某個屬性數據連續n次偏離預定值，則啟動水肥藥一體系統或植物燈光系統時間。自動控制策略將自動同步到園區邊緣計算系統，可無需人工值守，自動操作。

⑤報警設置。設定設備某屬性偏離一定預定值時，給予報警。報警方式包括監控室燈光、手機短信。該系統同時持久化保存該報警信息。

2.3 基于標簽和二維碼技術的質量安全溯源

以實現高效獼猴桃生態農業示范園質量安全為目標，以“標準化生產、標識化追溯”為突破口，以二維條碼為載體，構建獼猴桃質量安全追溯系統。通過在生產基地應用便攜式農事信息采集系統，實現生產履歷信息的快速采集與實時上傳;通過在生產企業應用有機獼猴桃安全生產管理系統，實現有機生產的產前提示、產中預警和產后檢測;通過在配送中心應用農產品物流配送管理系統，實現車輛監控和物流調度，通過將供應鏈各環節數據匯集到園區管理部門，構建追溯平臺數據庫，實現上網、二維條碼掃描、短信和觸摸屏等方式的追溯，從而保障獼猴桃的產品質量（圖4）。

3 系統硬件

系統硬件設備部分主要包括無線傳輸基站建設、傳感節點布置、水肥一體化設備、病蟲害預測防控設備、視頻監控設備等（表1）。

4 實例應用

在武漢市周邊選取2處獼猴桃基地開展試驗示范，示范面積667 m2。應用前后在節本節水節肥、產量品質提升方面效果明顯，有效解決了企業人力成本不足，增加種植戶收入（表2）。

5 小結

通過獼猴桃生產過程質量安全控制關鍵技術研發，整合、集成現有的相關軟硬件設備，提高獼猴桃生產種植的智能性、精準性，起到節水節肥、提高產量的作用，同時搭建物聯網云平臺，讓企業無門檻、低成本接入，大幅降低農業企業的管理運營成本（包括寬帶接入、服務器配置、數據處理、廣告宣傳、人工服務、專家診斷、智能遠程控制等）。在示范基地建成取得良好效果后，技術成果和生產規范可以擴展應用到其他類似種植品種中。

該系統使用方便、功能強，且設計先進、合理，具有很強的適用性，可隨時適應形勢和信息網絡發展步伐，隨時升級及增加功能，因此系統產品的經濟壽命相當長。全面推廣應用后，預計可全面提升相關系統軟件的性能、提高農業綜合效益、增加農民收入、推進農業轉型升級，為湖北省獼猴桃產業精準作業體系的形成打下堅實的基礎。

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